本発明は外科用金属インプラント、特にチタンまたはチタン合金からつくられるインプラントを処理する方法に関する。
発明の背景
チタンおよびチタン合金は、それらが有する骨組織との良好な適合性および骨組織と直接強固に接着する傾向のため、歯科および整形外科の手術においてインプラント材料としてしばしば使用される。このような強固な接着性を生ずる骨組織と金属との間の相互作用は、1970年代の後半にスウェーデンのGothenburgの
と共同研究者によって「骨一体化」（“osseointegration"）と造語されたが、接着過程の機構は未だ十分にわかっていない。
外科用インプラントを固定する標準的な外科技術には二段階方法が用いられる。第１段階において骨組織を覆う柔軟組織が切開されそしてインプラントの基底部が骨組織内に入れられる。柔軟組織が閉じられそしてインプラントが骨一体化するように比較的長期間にわたってそのままに置かれる。第２段階において、柔軟組織が再び切開され、またインプラントの負荷支持部が基底部に取り付けられる。骨一体化に必要な期間が長いことは患者にとって極めて不快であるので、このような二段階技術にはある種の不利点がある。さらにまた、関節例えば股関節の手術は、もしそれが避けられるならば、二度行われるべきでないので、整形外科においては一段階の手術を行うのが好ましい。一段階手術の一つの前提条件は、骨組織−インプラント境界面で十分な強度を得るのに要する時間が短いことである。加えて、骨の質がかなり悪化しているか、例えば上顎、または神経上方の下顎の後方部分の利用できる空間に制限がある場合、完全な骨一体化を行うには問題があることがある。従って、これらの場所においてはインプラントのまわりに骨組織の再生を刺激するのが好ましい。インプラントを一層良好に接着させるためのチタンからつくられるインプラントを処理する方法が今日までにもいくつかある。これらの方法のいくつかは、例えば機械的保持を一層良くしまた接着面積を増大するために、例えばプラズマ噴射、噴射仕上げまたはエッチングによりインプラント表面上に比較的大きな不規則な形状をつくることによってインプラントの形状を変化させることが含まれる。これにより、保持は改善されるであろうが、骨組織がインプラント表面の不規則な形状内で生育しなければならないので、「骨一体化」に必要な時間は一層長くなるであろう。
他の方法はインプラント表面の化学的特性を変化させることを含んでいる。例えばこのような方法の一つは、特に骨組織の再生を刺激するためにヒドロキシアパタイトのようなセラミック材料の層をインプラント表面に適用することを包含している。しかしながらセラミックのコーティングは脆くまたインプラントの表面から薄片になってはげるかあるいはこわれてはげるであろう。これは引続いてインプラントの最終的な破壊につながるであろう。
米国特許第4,330,891があるが、微小孔の直径がある範囲内にある微小孔を有する表面をもつ部材を装着すると、担持部材の受容に関する特性が改善されまたこの微小孔表面をもつ部材の生物学的な性質のため、健全な内方生育に対するこの部材の耐久性が根本的に改善されるとされているので、この特許は上記のそれぞれを組合わせていると言うことができよう。
本発明
骨との接合強度を改善した外科用金属インプラントを提供することが本発明の目的である。この目的は本発明による弗化ナトリウムの溶液で外科用金属インプラントを処理することによって達成される。
従って本発明によると、外科用金属インプラントを可溶性弗化物塩を含有するpHが2.5〜６である水溶液で処理することからなる、インプランテーションの前に前記金属インプラントを処理する方法が提供される。
この水溶液はpHが2.5〜５であるのが好ましい。
本発明は特にチタンまたはTi/Al/V合金のようなチタン合金のインプラントの処理に関するが、ジルコニウムおよびタンタルのインプラントのような他の金属インプラント、およびヒドロキシアパタイトでコーティングされたチタンのようなコーティングされた金属インプラントを処理するためにも使用されてよい。
この処理溶液は0.1％から飽和まで、例えば0.4％から飽和まで、あるいは0.5％から飽和までの濃度の弗化ナトリウムを含有するのが好ましい。弗化ナトリウムは室温で実質的に飽和する量、例えば室温で４％存在するのが最も好ましい。
外科用金属インプラントの処理は、例えば処理溶液にインプラントを十分な時間撹拌しながらあるいは撹拌しないで浸漬することにより、適当な任意の方法で実施できる。いろいろな温度が用いられてよい。温度および時間のような因子は処理溶液の濃度および他のプロセス因子に従って選択できる。ほとんどの場合、室温での処理は少なくとも10秒間、例えば10秒間から60分間実施すべきである。弗化物溶液が飽和している場合、約５分間室温で処理するのが好ましい。処理は標準圧で行うのが便利であるが、所望ならば高圧を採用してよい。処理は標準圧と標準温度で行うのが好ましい。
本発明の処理溶液は、弗化ナトリウムの適当量を水に溶解することにより簡単に調製できる。pHはHFまたはHClのような酸を少量添加することにより低下でき、また必要ならば少量の塩基を加えてpHを上昇させることもできる。
処理に先立って、この分野でよく知られた標準的な技術によってインプラント材料を清浄化することができる。
処理後、インプラント材料は蒸溜水で洗浄され、そして滅菌状態で保管することができる。
本発明に従って処理されるチタンインプラントの場合、これを骨から外すには、処理されていないインプラントを外すのに必要な力の４倍の力が必要であった。試験したインプラントは、機械的および摩擦的影響が最小となるように円錐状であった。本発明に従って処理されるインプラントに認められる改善された特性は、本処理方法に由来する生体適合性および「骨一体化」の改善の結果である。この改善された生体適合性は、処理されたインプラントの表面上に保持される弗化物に少なくとも部分的に原因があると考えられる。
以下に本発明を実施例によって例示する。
実施例
比較例
長さが5mmで、１端の直径が3mmそして他端の直径が2mmのほぼ円錐形である商業的純度（c.p.）のチタンの外科用インプラントを、「Maximat super 11」（商標名）回転旋盤を使用して機械加工することにより６本製作した。インプラントの円錐面、つまりインプラントの骨中に位置する部分の面積は39mm2であった。
下記の工程からなる周知の清浄化方法に従って各インプラントを清浄化した。
1.トリクロロエチレンを用いて15分間超音波処理し、
2.無水エタノール中で10秒間すすぎ洗い、
3.エタノールを用いて連続して10分間ずつ３回超音波処理する。
清浄化した各インプラントをMediplast（商標名）滅菌封筒内に滅菌包装し、そしてCitomat 162（商標名）（LIC社製）オートクレーブ中で120℃で30分間加熱処理した。
実施例１
弗化ナトリウム結晶を単に溶解することにより４％溶液の弗化ナトリウム浴を調製した。浴のpHを6N塩酸により3.7に調整した。
上記の比較例と全く同様に調製し、清浄化し、滅菌包装しそしてオートクレーブ処理された６本のインプラントを滅菌包装から取り出し、弗化ナトリウム処理浴中に入れそして10分間放置した。その後、各インプラントを蒸溜水浴中で３回、各回30秒間洗浄した。室温で乾燥させた後、外科用インプランテーションにそなえて、各インプラントをMediplast（商標名）滅菌封筒中に移した。
インプラント研究
試験動物として数匹のチンチラうさぎを使用した。これらのうさぎはオスメス無作為であったが、研究の開始時にすべて体重は2.5kgであった。それぞれの動物を1.0mg/kgのフルアノゾニウムと0.02mg/kgのフェンタニリウム（Hypnorn,Jannsen Pharmaceuticals社製）とを組合わせて注射して静かにさせそしてキシロカイン／アドレナリン（AB Astra製）によって局所麻酔した。円錐形インプラントがぴったりとおさまる空所があくようになった標準化された錐を用いて各うさぎの右の尺骨に二つの空所をさん孔した。比較例または実施例１によるインプラントを、他の金属の影響を避けるためにチタンのピンセットを用いてそれぞれのうさぎの空所にいれ、そして60日間放置した。
60日後、ペントバルビトールナトリウムを注射してうさぎを犠牲にし、そして尺骨を取り出し、同じ日に行う「プッシュ−アウト」試験にそなえて滅菌した生理食塩水中に入れた。
特に、支持用ジグと０〜200Nの負荷範囲で調節可能なラムとを有するInstronモデル1121引張試験機（英国のInstron社）を用いて各インプラントを骨から離すのに必要な最大の力を計測した。インプラントのより大きい端部を包囲する骨における試験すべき試料に、支持用ジグに装着するためのギザギザのついた溝（milling track）をつけ、そしてその試料を支持用ジグに取り付けた。ラムを毎分1mmの速さで低下させ、そしてインプラントを骨から離すのに必要な最大の力を記録した。
この記録された圧力は、インプラントと骨との接合強度の直接的評価となり、必要な力が大きいほど接合は強い。その結果を表１に示す。
本発明により処理されたインプラントとの骨の接合強度が著しく大きいことが上記から明らかである。
組織学的検査によると、実施例１によるインプラントは、それに密着して新たに形成された骨の厚い層によって、尺骨の海綿質部分が均一に包囲されていることが証明された。処理されていないインプラントつまり比較例によるものは海綿質領域において薄い骨の層によって部分的にしか覆われていなかった。The present invention relates to a method for treating surgical metal implants, in particular implants made from titanium or titanium alloys.
Background of the invention Titanium and titanium alloys are often used as implant materials in dental and orthopedic surgery because of their good compatibility with the bone tissue they possess and their tendency to adhere firmly and directly to the bone tissue. The The interaction between bone tissue and metal, which produces such a strong adhesive property, was not achieved in the late 1970s in Gothenburg, Sweden.
And co-workers coined “osseointegration”, but the mechanism of the adhesion process is still not fully understood.
A standard surgical technique for securing a surgical implant uses a two-step method. In the first stage, the soft tissue covering the bone tissue is incised and the base of the implant is placed in the bone tissue. The soft tissue is closed and left in place for a relatively long period of time so that the implant is integrated with the bone. In the second stage, the soft tissue is cut again and the load support of the implant is attached to the base. Such a two-stage technique has certain disadvantages because the long time required for bone integration is extremely uncomfortable for the patient. Furthermore, it is preferred to perform a one-step operation in orthopedics, since surgery on a joint, such as a hip joint, should not be performed twice if it is avoided. One prerequisite for single-stage surgery is that the time required to obtain sufficient strength at the bone tissue-implant interface is short. In addition, complete bone integration can be problematic if the bone quality is significantly degraded, for example if the available space of the upper jaw or the posterior portion of the lower jaw above the nerve is limited. Therefore, it is preferable to stimulate bone tissue regeneration around the implant in these locations. To date, there are several methods of treating implants made from titanium to better adhere the implant. Some of these methods involve implanting relatively large irregular shapes on the implant surface, for example by plasma spraying, spray finishing or etching, for example to improve mechanical retention and increase the bonding area. Changing the shape of the. This will improve retention, but the time required for “bone integration” will be even longer because the bone tissue must grow within the irregular shape of the implant surface.
Other methods include changing the chemical properties of the implant surface. For example, one such method involves applying a layer of ceramic material, such as hydroxyapatite, to the implant surface, particularly to stimulate bone tissue regeneration. However, ceramic coatings are brittle and will flake off or break away from the surface of the implant. This will continue to lead to the final destruction of the implant.
There is U.S. Pat.No. 4,330,891, but when a member having a surface with a micropore within a certain range of the micropore diameter is mounted, the characteristics relating to the reception of the support member are improved and the biology of the member with this micropore surface is improved. It can be said that this patent combines each of the above, since the durability of the member against healthy ingrowth is fundamentally improved due to its natural nature.
It is an object of the present invention to provide a surgical metal implants having improved bonding strength between the present invention <br/> bone. This object is achieved by treating a surgical metal implant with a solution of sodium fluoride according to the invention.
Thus, according to the present invention, there is provided a method of treating a surgical metal implant prior to implantation comprising treating the surgical metal implant with an aqueous solution containing a soluble fluoride salt having a pH of 2.5-6.
This aqueous solution preferably has a pH of 2.5-5.
The present invention relates in particular to the treatment of titanium or titanium alloy implants such as Ti / Al / V alloys, but other metal implants such as zirconium and tantalum implants, and coated such as titanium coated with hydroxyapatite. It may also be used to treat metal implants.
This treatment solution preferably contains sodium fluoride in a concentration from 0.1% to saturation, for example from 0.4% to saturation, or from 0.5% to saturation. Most preferably, the sodium fluoride is present in an amount that is substantially saturated at room temperature, eg, 4% at room temperature.
The treatment of the surgical metal implant can be carried out in any suitable manner, for example by immersing the implant in the treatment solution with or without stirring for a sufficient time. Various temperatures may be used. Factors such as temperature and time can be selected according to the concentration of the processing solution and other process factors. In most cases, the room temperature treatment should be carried out for at least 10 seconds, for example from 10 seconds to 60 minutes. If the fluoride solution is saturated, it is preferable to treat at room temperature for about 5 minutes. The treatment is conveniently performed at standard pressure, but high pressure may be employed if desired. The treatment is preferably performed at standard pressure and standard temperature.
The treatment solution of the present invention can be easily prepared by dissolving an appropriate amount of sodium fluoride in water. The pH can be lowered by adding a small amount of an acid such as HF or HCl, and if necessary, a small amount of base can be added to raise the pH.
Prior to processing, the implant material can be cleaned by standard techniques well known in the art.
After processing, the implant material can be washed with distilled water and stored in a sterile state.
In the case of a titanium implant treated in accordance with the present invention, removing it from the bone required four times the force required to remove the untreated implant. The implants tested were conical to minimize mechanical and frictional effects. The improved properties observed in implants treated according to the present invention are the result of improved biocompatibility and “bone integration” resulting from the present treatment method. This improved biocompatibility is believed to be due at least in part to the fluoride retained on the surface of the treated implant.
The following examples illustrate the invention.
Example
Comparative Example A commercial purity (cp) titanium surgical implant with a length of 5 mm, a diameter of 3 mm at one end and a diameter of 2 mm at the other end, which is approximately conical, is “Maximat super 11”. Six were manufactured by machining using a (trade name) rotary lathe. The area of the conical surface of the implant, ie the part located in the bone of the implant, was 39 mm 2 .
Each implant was cleaned according to a well-known cleaning method comprising the following steps.
1. Sonicate for 15 minutes with trichlorethylene,
2. Rinse in absolute ethanol for 10 seconds,
3. Sonicate 3 times for 10 minutes in succession with ethanol.
Each cleaned implant was sterile packaged in a Mediplast ™ sterile envelope and heat treated at 120 ° C for 30 minutes in a Citomat 162 ™ (LIC) autoclave.
Example 1
A 4% solution sodium fluoride bath was prepared by simply dissolving sodium fluoride crystals. The pH of the bath was adjusted to 3.7 with 6N hydrochloric acid.
Six implants prepared, cleaned, sterile packaged and autoclaved exactly as in the above comparative example were removed from the sterile package, placed in a sodium fluoride treatment bath and allowed to stand for 10 minutes. Each implant was then washed 3 times in a distilled water bath, 30 seconds each time. After drying at room temperature, each implant was transferred into a Mediplast ™ sterile envelope for surgical implantation.
Implant study Several chinchilla rabbits were used as test animals. These rabbits were male and female random, but all weighed 2.5 kg at the start of the study. Each animal is quietly injected with a combination of 1.0 mg / kg fluanozonium and 0.02 mg / kg fentanium (Hypnorn, Jannsen Pharmaceuticals) and local anesthesia with xylocaine / adrenaline (AB Astra) did. Two cavities were drilled in the right ulna of each rabbit using a standardized cone that would allow the conical implant to fit snugly. The implant according to Comparative Example or Example 1 was placed in each rabbit cavity using titanium tweezers to avoid the effects of other metals and left for 60 days.
After 60 days, pentobarbitol sodium was injected to sacrifice the rabbit and the ulna was removed and placed in sterile saline in preparation for a “push-out” test performed on the same day.
In particular, use the Instron model 1121 tensile tester (Instron, UK) with a supporting jig and an adjustable ram in the 0-200N load range to measure the maximum force required to remove each implant from the bone did. The sample to be tested in the bone surrounding the larger end of the implant was provided with a milling track for attachment to the support jig and the sample was attached to the support jig. The ram was lowered at a rate of 1 mm per minute and the maximum force required to remove the implant from the bone was recorded.
This recorded pressure provides a direct assessment of the bond strength between the implant and the bone, the greater the force required, the stronger the bond. The results are shown in Table 1.
It is clear from the above that the bone bonding strength with the implant treated according to the invention is remarkably high.
Histological examination demonstrated that the implant according to Example 1 was uniformly surrounded by the cancellous portion of the ulna with a newly formed thick layer of bone in close contact therewith. The untreated implant, ie the comparative example, was only partially covered by a thin bone layer in the cancellous region.
